КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-63-00082

НазваниеОргано-неорганические нанокомпозиты на основе оксидов редкоземельных металлов для целей лучевой терапии

РуководительПопова Нелли Рустамовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2025 г.

Конкурс№75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словананочастицы, нанокомпозиты, оксид церия, тераностика, ионизирующее излучение, лучевая терапия, радиация, окислительный стресс, редокс активность, АФК, радиационный дерматит

Код ГРНТИ34.17.23

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на разработку, создание и исследование новых многофункциональных гибридных органо-неорганических наноматериалов на основе неорганических нанокристаллов редкоземельных металлов и направляющих биологических молекул для тераностики социально-значимых патологий, в том числе онкологических с использованием методов лучевой терапии. Такая комбинация активных компонентов в единой молекулярной структуре нанокомпозита потенциально обеспечивает их синергетическое действие. В частности, комбинация нанокристаллического оксида церия за счет уникальной редокс-активности своей поверхности и биоактивного компонента за счет направленного терапевтического действия на метаболические пути клетки. Поставленная в проекте задача представляет собой комплексное масштабное междисциплинарное исследование, направленное на разработку схем синтеза, методов получения и анализа, а также исследования биологической активности гибридных наноструктурированных композитов, обладающих терапевтическим эффектом, в том числе в условиях воздействия ионизирующего излучения различного типа и энергий. Запланированные в рамках проекта исследования позволят выявить оптимальные методики синтеза, обеспечивающие высокий уровень биосовместимости получаемых нанокомпозитов, а также раскрыть молекулярные механизмы их биологической активности, в том числе в условиях воздействия ионизирующего излучения, что, в свою очередь, позволит приблизиться к их практическому использованию в качестве потенциальной основы для нового класса тераностических агентов. Актуальность поставленных задач и запланированных исследований обусловлена необходимостью совершенствования радиопротекторов/радиосенсибилизаторов, используемых в терапии онкологических заболеваний согласно ВОЗ. Научная новизна исследований состоит в получении новых органо-неорганических наноматериалов на основе оксида церия, обладающих новыми функциональными терапевтическими и диагностическими свойствами, для целей лучевой терапии онкологических заболеваний. В рамках проекта будут разработаны новые методики и получены различные типы многофункциональных гибридных органо-неорганических наноматериалов на основе наночастиц оксида церия, обладающих не только синергетическим действием с подобранным функциональным агентом, но и способных обеспечить одновременный перенос активных веществ и визуализацию участков опухолевого роста. Впервые будет разработана и валидирована модель радиационного дерматита, индуцированного пучками протонов. Научный коллектив и партнер проекта включает в себя опытных специалистов в области коллоидной химии, радиационной биологии и медицины, биофизики, клеточной и молекулярной биологии, что потенциально обеспечивает разносторонний и детальный подход в реализации проекта. Научный коллектив проекта имеет многолетний опыт разработки методов синтеза нанокристаллических оксидных материалов с использованием подходов «мягкой химии», что является важным условием в разработке наноматериалов для биомедицинского применения, а также проведения комплексного анализа биологической активности наноматериалов, в том числе в условиях воздействия ионизирующего излучения. Опыт сотрудничающих групп взаимно дополняет друг друга и позволит успешно выполнить проект: Научная группа из Пущино имеет опыт с культурами клеток в условиях воздействия химических и физических фактов. Научная группа партнера из СГУ имеет опыт химического получения различных типов наночастиц, модификации и биофункционализации их поверхности, всесторонней характеризации и использования в иммунодиагностике. Междисциплинарный подход, заложенный в основу данного проекта, позволит успешно решить все поставленные задачи и достичь заданных целей, что внесет значимый вклад в развитие такого перспективного направления как тераностика, в основе которого лежит создание новых функциональных материалов для целей терапии и диагностики социально-значимых заболеваний, включая лучевую терапию.

Ожидаемые результаты
При выполнении проекта будут получены следующие основные результаты: 1) Будут разработаны новые методы получения органо-неорганических композитов на основе оксида церия, включая нанокомпозит оксид церия-рибофлавин мононуклеотида, оксид церия- куркумин, оксид церия - PQQ, гликолиевые золи наночастиц оксида церия и др). Будет проведен комплексный анализ физико-химических свойств взаимодополняющими методами (TEM, EDX, XRD и др), в том числе гидродинамический радиус, дзета-потенциал и редокс-активность в биологических жидкостях. Такая дополнительная функционализация наночастицы позволит обеспечить синергетическое действие на опухолевые клетки в условиях облучения, а для некоторых нанокомпозитов (например, СеО2- рибофлавин) их преимущественную интернализацию в трансформированные клетки, гиперэкспрессирующие белки-транспортеры рибофлавина. 2) Будут получены данные о механизмах эндоцитоза полученных нанокомпозитов, их клиренсе и внутриклеточной локализации, а также исследованы внутриклеточные мишени воздействия. Будет установлена цитотоксичность и генотоксичность полученных нанокомпозитов по отношению к нормальным и трансформированным клеткам in vitro (IC20 и IC50). Полученные данные позволят более детально подойти к выбору методики синтеза и подбору оптимальных компонентов и дальнейших схем введения. 3) Будут исследованы дозозависимые характеристики цитотоксического действия нанокомпозитов для нормальных и трансформированных клеток, в условиях воздействия плотно- и редкоионизирующего излучения в 2D моделях in vitro. Будет исследованы молекулярные механизмы токсического/ протекторного действия нанокомпозитов для каждого типа клеточных культур in vitro, включая комплексный анализ внутриклеточных сигнальных путей. Будет проведен комплексное исследование радиопротекторных/радиосенсибилизирующих свойств гликолевых золей наночастиц оксида церия. 4) Будет проведена модификация наночастиц, с целью обеспечить визуализацию проникновения наночастиц в биологиечские объекты, а также с целью увеличения радиочувствительности трансформиронаных клеток, за счет допирования элементами с высоким атомным номером. Будет проведен сравнительный анализ радиосенсибилизирующего действия полученных органо-неорганических нанокомпозитов в моделях перевиваемых опухолей на мышах роста, в том числе при воздействии ионизирующего излучения различного типа и энергии, включая заряженные частицы. Полученные данные позволят оценить эффективность нанокомпозитов в нарушении структурных и морфологических характеристик опухолей, оценить процент интернализации/накопления наночастиц в опухоли. 5) Будут проведен анализ нормальных и трансформированных клеток после облучения в присутствии синтезированных нанокомпозитов, что позволит детально исследовать молекулярные механизмы радиопротекторного/радиозащитного действия нанокомпозитов в клеточных моделях in vitro. Полученные данные позволят отобрать наиболее эффективные и безопасные нанокомпозиты для дальнейших исследований в моделях in vitro и in vivo. 6) Будут исследованы радиопротекторные и ранозаживляющие свойства гликолиевых золей наночастиц диоксида церия в мышиной модели лучевого дерматита III степени (RTOG), индуцированного плотноионизирующим излучением на протонном синхротроне при различных параметрах пучка, способах позиционирования животных и схемах введения исследуемых препаративных форм (золь, крем, гель). Будет исследована эффективность проникновения наночастиц в эпидермис животных и их влияние на динамику развития лучевого дерматита. 1 год проекта будет включать синтез и комплексный анализ физико-химических характеристик синтезированных наночастиц/нанокомпозитов; первичный анализ цитотоксичности синтезированных наноматериалов на культурах нормальных и трансформированных клеток; разработку и валидацию модели радиационного дерматита, индуцированного плотноионизирующим излучением, на мышах. Партнер: 1. Будет подготовлен набор наночастиц с различным размером, структурой и морфологией, установлены закономерности синтез-состав-структура-свойство. 2. Будет проведен анализ физико-химических характеристик синтезированных наночастиц. Общие: 3. Будет проведен анализ цитотоксичности синтезированных наночастиц на культурах нормальных и трансформированных клеток с использованием ряда взаимодополняющих методов оценки состояния клетки. 4. Будут определены значения IC50 и IC20 для различных типов клеточных культур через различные временные сроки культивирования. Будут получены данные о механизмах эндоцитоза полученных нанокомпозитов, их клиренсе и внутриклеточной локализации, а также исследованы внутриклеточные мишени воздействия. Будет установлена цитотоксичность и генотоксичность полученных нанокомпозитов по отношению к нормальным и трансформированным клеткам in vitro (IC20 и IC50). Полученные данные позволят более детально подойти к выбору методики синтеза и подбору оптимальных компонентов и дальнейших схем введения. 5. Будет проведен первичный анализ влияния наночастиц на уровень экспрессии панели генов (96-ти генов), ответственных за развитие состояния окислительного стресса. 6. Будет впервые разработана модель лучевого дерматита II-III степени на лабораторных мышах линии SHK in vivo, индуцированного плотноионизирующим излучением (пучками протонов). 2 год проекта будет включать синтез, модификацию и комплексный анализ физико-химических характеристик синтезированных нанокомпозитов; анализ биологической активности синтезированных наноматериалов на культурах нормальных и трансформированных клеток при воздействии источников ионизирующего излучения разных видов (рентгеновское излучение на терапевтической установке РУТ-15 и с использованием протонного ускорителя ЗАО Протом) и без воздействия; исследование механизмов эндоцитоза и внутриклеточного транспорта, а также анализ молекулярно-генетических механизмов цито- и генотоксического действий, в условиях радиационно-индуцированного окислительного стресса. Партнер: 1. Получение нанокомпозитов оксида церия и их модификация. В качестве модифицирующих агентов для получения нанокомпозитов на основе наночастиц CeO2, позволяющих улучшить стабильность частиц и модулировать их биологическую активность будут опробованы низкомолекулярные соединения и полимерные молекулы. Такая дополнительная функционализация наночастицы позволит обеспечить синергетическое действие на опухолевые клетки в условиях облучения, а для некоторых нанокомпозитов их преимущественную интернализацию в трансформированные клетки, гиперэкспрессирующие белки-транспортеры рибофлавина. Общие: 2. Будут исследованы дозозависимые характеристики цитотоксического действия нанокомпозитов для нормальных и трансформированных клеток, в условиях воздействия плотно- и редкоионизирующего излучения в 2D моделях in vitro. Будет исследованы молекулярные механизмы токсического/ протекторного действия нанокомпозитов для каждого типа клеточных культур in vitro, включая комплексный анализ внутриклеточных сигнальных путей. Будет проведен комплексное исследование радиопротекторных/радиосенсибилизирующих свойств гликолевых золей наночастиц оксида церия. 3. Будут исследованы механизмы внутриклеточного транспорта и эндоцитоза синтезированных нанокомпозитов. 4. Будет проанализирована влияние синтезированных нанокомпозитов на пролиферативную и миграционную активность нормальных и трасформированных клеток в условиях воздейтсвия ионизирующего излучения и без. 5. Будет исследовано влияние нанокомпозитов на уровень образования АФК после облучения в культурах нормальных и трансформированных клеточных культурах. 7. Будет проведен анализ влияния наночастиц/нанокомпозитов на уровень экспрессии панели генов ответственных за окислительный стресс, уровень некроза и апоптоза. 3 год проекта будет включать модификацию наночастиц химическими элементами с высоким атомным номером (например, допирование гадолинием или тербием) с целью обеспечить визуализацию проникновения наночастиц в биологических объектах, а также с целью увеличения радиочувствительности трансформиронаных клеток. Будет проведен анализ цито- и генотоксичености полученных наночастиц. Будет опробована биофункционализация полученных нанокомпозитов и нанокристаллов оксида церия биологически активными компонентами; исследование внутриклеточных механизмов радиопротекторного/радиосенсибилизирующего действия органо-неорганических нанокомпозитов при воздействии ионизирующего излучения разных видов; анализ нанокомпозитов на моделях перевиваемых опухолей мышах. Партнер: 1. Будет проведена модификация наночастиц, с целью применения таких наночастиц/нанокомпозитов в качестве потенциальных радиосенсибилизаторов. 2. Будет опробована биофункционализация полученных нанокомпозитов и нанокристаллов оксида церия биологически активными компонентами: куркумином как агент, вызывающий апоптоз раковых клеток для снижения риска возникновения рака обусловленного высоким стрессом, рибофлавин нуклеотид, PQQ и токоферолами, обладающим антиоксидантным действием другими соединениями. Общие: 3. Будет проведен анализ цитотоксичности полученных наночастиц на культурах нормальных и трансформированных клеток. 5. Будут исследованы механизмы внутриклеточного транспорта и эндоцитоза синтезированных нанокомпозитов. 6. Будет проведен анализ влияния синтезированных наночастиц/нанокомпозитов на уровень экспрессии генов, отвечающих за развитие состояния окислительного стресса в условиях воздействия ионизирующего излучения. 7. Будут проведены эксперименты на животных с моделью опухоли (с модельной опухолью саркомой М-1, B-16 меланомы на мышах линии Black) с целью анализа эффективности полученных нанокомпозитов в качестве радиопротекторов/радиосенсибилизаторов в условиях воздействия ионизирующего излучения разных видов. 4 год проекта будет включать разработку препаративных форм, модифицированных синтезируемыми нанокомпозитами, с целью использования их в экспериментах с животными (мышей SHK); анализ протекторных свойств нанокомпозитов (при различных схемах использования) на модели радиационного дерматита на мышах, индуцированного плотноионизирующим излучением; исследование ранозаживляющих свойств препаративных форм нанокомпозита в модели лучевого дерматита на мышах in vivo. Партнер: 1. Будут исследованы модификации нанокомпозитов с целью разработки форм синтезируемых нанокомпозитов с целью использования их в экспериментах с животными (мышей SHK) в качестве профилактического и/или терапевтического средства на модели радиационного дерматита, индуцированного плотноионизирующим излучением. 2. Будет разработан полисахаридный гидрогель, модифицированный полученными в рамках данного проекта функциональными нанокомпозитами, который будет обеспечивать профилактическое и терапевтическое действие в рамках лечения радиационного дерматита II-III степени. Общие: 2. Будет проанализирована цитотоксичность нанокомпозитов на культуре кератиноцитов человека линии HaCaT. 3. Будет проведен анализ цитопротекторных свойств нанокомпозитов (при различных схемах использования) на модели радиационного дерматита на мышах, индуцированного плотноионизирующим излучением. Полученная нами модель позволит получить радиационный дерматит 3 степени, согласно классификации Radiation Therapy Oncology Group (RTOG). Данная степень радиационного дерматита является оптимальной для экспериментальной оценки патогенеза и общего времени заживления радиационного поражения кожи, а также позволяет провести сравнительный анализ периодов лучевого поражения кожи и может быть использована для оценки эффективности терапевтических средств, предназначенных для профилактики и лечения радиационного дерматита. 4. Будет проведено гистологическое исследование зоны радиационно-индуцированного повреждения дермы мышей через различные сроки после облучения в присутствии тестируемых нанокомпозитов. Будет исследована эффективность проникновения наночастиц в эпидермис животных и их влияние на динамику развития лучевого дерматита. 5. Будет проведено исследование фармакокинетики, острой и хронической токсичности наиболее перспективных нанокомпозитов (не менее 2-х) с использованием лабораторных животных in vivo. 6. Будет предложены механизмы патогенеза радиационного дерматита, индуцированного плотноионизирующим излучением (протонами). Важной особенностью проекта является его нацеленность на разработку универсальных подходов к созданию новых классов гибридных органо-неорганических наноматериалов, перспективных в качестве терапевтических и диагностических агентов. Таким образом, фундаментальные знания, а также научные результаты, полученные в ходе выполнения проекта, имеют долгосрочные перспективы для создания потенциальных новых наукоемких тераностических систем и препаратов биомедицинского назначения, необходимых для существенного улучшения качества жизни пациентов, проходящих курс лучевой терапии. По результатам данного проекта будут заложена перспективная основа для создания нового отечественного неорганического радиосенсибилизатора на основе наночастиц редкоземельных металлов по аналогии первым с уже клинически одобренным FDA и уже применяемом в клинике радиосенсибилизатором на основе неорганического нанокомпозита гафния (https://www.nanobiotix.com/ Франция) для целей лучевой терапии. Будет впервые разработан гидрогель модифицированный синтезированными в рамках данного проекта нанокомпозитами, который станет перспективным специфическим средством для лечения радиационного дерматита II-III степени, что повысит эффективность лучевой терапии и скорость реабилитации пациентов.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---